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染料敏化太陽能電池的再突破——專訪中興化學系教授葉鎮宇

110/04/20 瀏覽次數 1263

你可以想像嗎?未來或許有一天,整座摩天大樓的窗戶通通都可以拿來做太陽能發電!

透明、輕薄又可撓的染料敏化太陽能電池

「一片又一片、厚重的深藍色面板,平躺在大太陽底下閃閃發光著」,這應該是大多數人對於太陽能電池最深刻的印象,而這些日常生活中常見的太陽能板們,就是當前太陽能電池產業中,發展最久、技術最成熟的「傳統矽晶太陽能電池」。

太陽能板

多具串聯的太陽能電池板。(圖/Wikipedia,Supertekenterprises1 的作品,CC BY-SA 3.0)

除了廣為人知的矽晶太陽能電池之外,近年來在太陽能電池界,「染料敏化太陽能電池」(dye-sensitized solar cell, DSSC)可謂是冉冉升起的未來之星,比起厚重、昂貴的矽晶太陽能電池,染料敏化太陽能電池(後文皆簡稱之為染敏電池)不僅相對便宜、結構簡單,甚至可以做成透明、可撓式的模樣!

來自國立中興大學化學系的葉鎮宇教授,是臺灣國內研究染敏電池的頂尖學者,2011 年時,他與國際研究團隊合作,以紫質(porphyrin,卟啉)做為染料,研發出「YD」系列染料,將染敏電池的光電轉換效率從 11% 提升至 12.3% ,研究成果已刊登於該年11月的《科學》。

2020 年時,葉鎮宇與研究團隊又發表了新一代的紫質染料「bJS」系列,比起上一代的「YD」系列染料光電轉化效率又提高了 11.9%,刊登於2020 年 11 月的《應用化學》期刊,並且被選為非常重要論文 (VIP, Very Important Paper) ,其重要性為該期刊前 5% 的論文。

本次科技大觀園特別採訪葉鎮宇教授,邀請葉教授與我們分享染敏太陽能電池的研發近況,帶我們看見太陽能電池的全新樣貌。

首先,葉鎮宇指出,若太陽能電池想要產業化、維持商業運轉的話,必須滿足兩個最基本的要求:高光電轉換率,以及高穩定性。光電轉換效率指的是該電池將光能轉換成電能的能力,而穩定性則是電池的耐用程度。
 

矽晶 vs. 染敏太陽能電池

傳統矽晶太陽能電池主要應用於太陽直射的炎熱戶外,在室外有較佳的光電轉換效率,此外,由於在陽光底下曝曬時,表面溫度可高達五、六十度,因此太陽能電池的材料必須足夠穩定,才可以在炎熱的戶外使用,以矽晶太陽能電池為例,壽命大約在二十年左右,有著很不錯的穩定性。

而染敏電池並非專門用於在太陽直射的戶外,染敏電池的穩定性並不高,主要應用於室內弱光、半戶外。在室內弱光的條件之下,染敏電池的光電轉換效率非常高,可以高達 30%。

雖然矽晶太陽能電池在戶外的光電轉換效率、穩定性目前都比染敏電池高,但矽晶太陽電池有著相當致命的缺點:太貴啦!此外,矽晶太陽能電池的製作過程相對複雜且精密,不僅需要高溫、強酸、強鹼的參與,結構也相對複雜,製作過程耗損的能量需要兩到三年才可以平衡回來。

反之,染敏電池的結構非常簡單,製程與成本也相對簡便和便宜,在家裡的廚房就可以完成,同時也是各國高中科展的常見主題,只要製作得當,親手做的太陽能電池甚至可以驅動小馬達、讓小燈泡發亮,而且只需要短短六個月,就可以把消耗的能量「賺回來」!

此外,太陽能電池的污染議題也是大家關注的重點之一,矽晶太陽能不僅製程耗能、結構複雜,也會造成不少污染和廢棄物,而染敏太陽能電池所需的染料非常少,只需要不到 10 奈米的薄薄一層,加上二氧化鈦沒有毒性、構造簡單,汙染程度遠低於矽晶,是更「乾淨」的太陽能。

染敏太陽能電池的工作原理

染料敏化太陽能電池結構示意圖

染料敏化太陽能電池結構示意圖。(圖/陳祉雲、李玉郎,2019

染敏電池的組成成分包含染料、工作電極、電解液以及對電極。

以葉鎮宇研究團隊所使用的染敏電池為例,它的工作電極由二氧化鈦的奈米顆粒組成,而二氧化鈦的上面會吸附一層薄薄的染料,並透過這些染料來吸收太陽光。當染料照光後,染料的電子會從基態躍遷到激發態,這些電子有機會成為自由電子跑到二氧化鈦,並隨著連接二氧化鈦的迴路到對電極,再透過電解質接收電子發生還原反應。

不難想像,染料在染敏電池中扮演舉足輕重的角色,如果染料設計得好,吸光範圍大、吸光強度又強的話,就可以吸收比較多的太陽光,也比較可能達成較高的光電轉換率。

整體而言,影響太陽能電池的光電轉換效率因素有三個:電流、電壓、填充因子。其中染料的吸光範圍會影響電流,電解液可以增加電壓,組裝的技術與填充因子有關,若電流高、電壓高、組裝技術好,光電轉換效率就會高,當前學術研究努力的方向,就是致力於找到提升電流與電壓的方式與材料。

讓電子乖乖順著跑道跑的秘密!

在染敏太陽能電池中,若是電解液太靠近二氧化鈦,二氧化鈦上應該跑向對電極的電子,有可能會「逆流」跑向電解液,造成電荷再結合,就像是形成逆電流一樣,浪費能量,並讓電流、電壓下降、降低光電轉換效率,因此科學家們必須想辦法阻止電子的「逆流」。

葉鎮宇表示,由於電解液通常是帶電荷的,就像是具備「親水性」的特徵一樣,因此在 2011 年的研究成果中,葉鎮宇與團隊的「YD」系列染料,就是利用染料中的「長碳鏈」將染料設計成「疏水性」的,如此一來,當染料吸附在二氧化碳上之後,就像是在二氧化鈦上面蓋上一層油,如此一來,電解液和二氧化碳就不容易靠近,並且能抑制電子「逆流」,提高光電轉換效率。

比起「YD」系列染料,2020 年的「bJS」系列紫質染料再度突破,將原本的長碳鏈數目增加至 2 倍,就像是把原本的一道柵欄變成兩道柵欄,讓電子更難反向偷跑,使光電轉換效率更上一層樓。

染敏太陽能電池的應用

染敏太陽電池的主力戰場在於室內的弱光,究竟為什麼「室內版本」的太陽能電池這麼值得令人期待呢?

大家不妨試想看看,未來,即將是 5G、物聯網的時代,各式各樣的物品都可能將需要連上網路、搭配不同的感應器,一棟建築物裡面甚至可能配有高達一萬多個感應器,倘若每一個感應器都需要接電線、換電池,那一定會是一場大災難!

然而,若染料敏化電池成功走向商業化,每一個感應器都可以搭配一個染敏電池、透過室內光自行發電,我們就會省去大幅的人力、時間成本,讓將來的生活更加便利。

此外染敏電池具備「可撓性」,這種可以扭曲的電池不僅可以當作電子紙的能量來源,搭配纖維的材質後,甚至可以成為可攜式電子裝置的一部分!由此可知,輕薄可扭曲的太陽能電池,很有可能會成為科技時代的重要角色之一呢。

電子閱讀器

染料敏化電池未來也許可以當作電子紙的能量來源(圖/pixabay

目前染敏電池已經可以做得非常輕薄,以玻璃為材料時,厚度大約 0.5 公分,改以軟板為材料的話,雖然光電轉換效率會降低,但厚度可以達到 0.1 公分,更加輕盈,再加上染敏電池透明的、多彩的特性,以當前的技術,染敏電池已經可以製作成各式各樣的「太陽能窗戶」,更可以搭配不同顏色的染料,做出彩色的窗戶拼貼藝術。也許,整座大樓的窗戶都能發電的未來,真的不是夢!

染敏太陽能電池的未來

雖然目前染敏太陽能電池無法完全取代矽晶,無論是光電轉換效率還是穩定性都有著很大的成長空間,但比起已經研究數十年矽晶,染敏太陽能電池還非常的「年輕」,具有相當的研究潛力,前景可期。

以現今的技術而言,染敏太陽能電池已經可以很有效率的在室內使用了,然而,在邁向商業化的道路上,染敏太陽能電池目前的價格尚有改善的餘地,需要科學家持續研發以及相關產業推廣,葉鎮宇表示,自己非常期待當染敏電池價格與一顆小電池相當的那一天!

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